本科畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

PAGEPAGE34學(xué)士學(xué)位論文題目名稱：基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：院系：信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)年級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)06級(jí)指導(dǎo)教師：職稱：講師2010年5月23目錄題目 PAGEREF_Toc262734825\hI摘要及關(guān)鍵字 I1前言 11.1國內(nèi)外無線定位研究現(xiàn)狀 1HYPERLINK\l"_Toc262734829"1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其定位存在問題 21.3設(shè)計(jì)思路及目標(biāo) 32設(shè)計(jì)方案論證 33ZigBee技術(shù)及協(xié)議棧概述 73.1ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介 73.1.1ZigBee發(fā)展概述 73.1.2ZigBee技術(shù)特點(diǎn) 73.2ZigBee協(xié)議棧概述 83.3ZigBee網(wǎng)路構(gòu)成 93.3.1設(shè)備類型 93.3.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 103.4基于RSSI的定位算法分析 113.4.1距離計(jì)算方法 PAGEREF_Toc262734841\h113.4.2節(jié)點(diǎn)定位基本原理 124基于ZigBee無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì) 144.1定位系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 734844\h144.1.1硬件總體規(guī)劃 144.1.2主控芯片CC2430/CC2431 154.1.3功能模塊的設(shè)計(jì) 47\h164.2定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 174.2.1軟件開發(fā)平臺(tái) 174.2.2定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 184.2.3節(jié)點(diǎn)設(shè)置及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì) 224.3數(shù)據(jù)傳輸 264.3.1PC機(jī)與網(wǎng)關(guān)間串口通信 26HYPERLINK\l"_Toc262734854"4.3.2網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)間的無線通信 285系統(tǒng)的測(cè)試與分析 296結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 32致謝 33附錄1 34附錄2 35基于ZigBee的無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)姓名：朱艷輝專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)教師：宮鶴摘要：基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)是一種新興的低成本、低功耗、低速率的短距離無線通信技術(shù)。隨著Zighee技術(shù)越來越多地被用于家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控、汽車自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)定位問題正日益受到關(guān)注。本論文主要研究了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)，討論了基于RSSI定位算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位機(jī)制,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種低成本、實(shí)用的，針對(duì)室內(nèi)環(huán)境的無線定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括硬件平臺(tái)、節(jié)點(diǎn)通信程序和上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件三部分。其中，硬件平臺(tái)以集成了射頻與51微控制器的CC2430/CC2431芯片為核心，該平臺(tái)包括射頻模塊、輔助電路、功能指示電路等。實(shí)際節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)其類型特點(diǎn)，選取硬件電路的不同部分加以實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)通信程序的開發(fā)以TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，論文介紹了節(jié)點(diǎn)間通信流程，給出了各類節(jié)點(diǎn)詳盡的通信實(shí)現(xiàn)方法。在IAREmbeddedWorkbench（EW）環(huán)境中編寫了上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，論文給出了詳細(xì)的軟件實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵字：ZigBee技術(shù)；無線定位；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stackTheDesignoftheWirelessLocationSystembasedonZigBeeName:ZhuYanhuiMajor:ElectronicInformationScienceandTechnologyTutor:GongHeAbstract:ZigBeetechnology,basedontheIEEE802.15.4protocol,isanewlydevelopedshortrangewirelesscommunicationtechnologywiththemeritsoflowcost、lowpowerconsumptionatcomparablelowerdatarate.WhiletheZigBeetechnologyismoreandmorefrequentlyadoptedinapplicationareaslikehomeautomation,telemeterandremotecontrol,mobileautomation,medicaltreatmentandsoon,thereal-timelocalizationintheZigBeenetworkbecomesahottopicrecently.Thisthesis,aimingatZigBeenetwork,investigatesthewirelesslocation,DiscussionofRSSI-basedlocationalgorithmforwirelesssensornetworkpositioningmechanismandonthisbasis,designsalow-costandpracticalforindoorwirelesspositioningsystem.Thispaperachievesalocationsystem，threepartsareincluded.Theyarehardwareplatform,communicationprogramofnodesandPCmonitorsoftware.ThecoreofhardwareplatformisCC2430whichisintegratedbyRFand51MCU,thelocalizationnodesaredesignedandmade.ItincludesRFmodule,auxiliarymoduleandfunctionindicationcircuits.Inactualapplications,Basedonthefunctiondifferencesofnodes,differentpartsofthehardwareplatformcanbeselectedtoachievecorrespondingfunctions.TheexploitationofnodecommunicationprogramisbasedonZ-StackprotocolstackwhichisprovidedbyTI,Thepaperintroducesthenodescommunicationflowelaborate.Theachievementwaysofdifferentkindsofnodesaregiven.InIAREmbeddedWorkbench（EW）circumstance,thePCmonitorsoftwareiscompiled,elaboratesoftwaresolutionisproposedinthispaper.Keywords:ZigBee；WirelessLocation；RSSI；CC2430/CC2431；Z-stack1前言近年來,隨著技術(shù)的進(jìn)步,低功耗多功能的無線傳感器網(wǎng)(WSN,WrielessSensorNetwork)也隨之應(yīng)運(yùn)而生[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以無處不在,能夠廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)院、地下煤礦、智能家居、大型車間和倉庫管理等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集,其中位置信息是不可或缺的一部分,如在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、地下煤礦、火災(zāi)等現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控應(yīng)用中，都需要知道傳感器節(jié)點(diǎn)的位置信息人們對(duì)無線定位的需求與日俱增,盡管全球定位系統(tǒng)GPS導(dǎo)航逐漸深入到人們的日常生活中,具有定位精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但GPS設(shè)備通常能耗高、體積大、成本高，更適應(yīng)于無遮擋的室外環(huán)境。在一些特定環(huán)境中(如室內(nèi)、水下,地下煤礦等),GPS會(huì)由于接收不到衛(wèi)星信號(hào)而失效;另一方面,在多數(shù)先線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,要求傳感器節(jié)點(diǎn)小巧,在這樣的情況下,GPS就顯得無能為力了?？偟脕碇v,GPS定位不適合在室內(nèi)環(huán)境中使用。基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為室外或室內(nèi)的無線定位注入了新的活力,其綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù),具有靈活、成本低、易于布置等特性,能方便準(zhǔn)確的采集各類信息。近年來,越來越多的企業(yè)和研究單位開始關(guān)注這種短距離無線通信技術(shù),也帶動(dòng)了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。在所有的定位實(shí)現(xiàn)中,室內(nèi)空間由于其環(huán)境的復(fù)雜性,一直是定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)難點(diǎn)?，F(xiàn)今,成熟的室內(nèi)定位系統(tǒng)仍然比較少、而且多存在成本偏高的缺陷,不利于大范圍廣泛應(yīng)用。本文試圖利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)一種較低成本、較低復(fù)雜度的室內(nèi)定位系統(tǒng)。1.1國內(nèi)外無線定位研究現(xiàn)狀1992年,A&T(LaboratoriesCambridge)開發(fā)出最早的室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)ActiveBadge,它利用紅外線技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位,但由于紅外方向性強(qiáng)、距離短等弊端，定位精度不高，之后經(jīng)過許多專家學(xué)者的努力又開發(fā)出更多的定位系統(tǒng)和算法,代表成果有ActiveBat、RADAR(RadioDetectionandRanging)、SpotON和Cricket等ActiveBat室內(nèi)定位系統(tǒng)由劍橋大學(xué)AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā),基于室內(nèi)超聲波/無線射頻定位技術(shù),采用TOA(TimeofArrival)技術(shù)的三角定位法。它比ActiveBadge定位精度要高,但它使用有線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的依賴性較強(qiáng),且系統(tǒng)的擴(kuò)展性受到很大限制。RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)由Microsoft公司開發(fā)，其基于IEEE802.11WLAN室內(nèi)無線射頻定位系統(tǒng),屬于信號(hào)傳播模型與經(jīng)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的場(chǎng)景法定位系統(tǒng)。其顯著特點(diǎn)為采用無線網(wǎng)絡(luò),易于安裝，需要基站少,應(yīng)用中要考慮節(jié)點(diǎn)的能耗和大小等問題。SpotON室內(nèi)定位系統(tǒng)基于射頻識(shí)別技術(shù)(RFID),用聚合算法對(duì)三維空間進(jìn)行定位。目前,還沒有建成完整的SpotON系統(tǒng)。Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)由麻省理工學(xué)院開發(fā),是超聲波定位的典型例子,相比于ActiveBadge和ActiveBat,它采用超聲波時(shí)延信號(hào)進(jìn)行定位,定位精度較高,但由于該系統(tǒng)需要同時(shí)發(fā)射射頻和超聲波信號(hào),因此需要較高的底層硬件設(shè)施投資,且系統(tǒng)功耗較大。近年來,由TI公司和摩托羅拉公司共同研發(fā)的CC2431無線定位芯片也值得我們關(guān)注，CC2431是一個(gè)帶硬件定位引擎的芯片，能滿足低功耗，符合ZigBee/IEEE802.巧.14無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。它不需要如GPS定位技術(shù)那樣使用衛(wèi)星定位，而是采用CC2431芯片組成的無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)較高的定位分辨率和定位精度。CC2431定位引擎原理基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)技術(shù)，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度和己知參考節(jié)點(diǎn)的位置計(jì)算出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后將位置信息發(fā)送給接收端。目前，室內(nèi)定位技術(shù)在國內(nèi)還沒有形成規(guī)模，主要集中在科研單位和學(xué)校，大部分的研究還停留在對(duì)算法的研究及優(yōu)化上，大多從事的無線室內(nèi)定位還只是停留在室內(nèi)仿真階段，沒有形成完整的體系。經(jīng)過近年來的努力，國內(nèi)外學(xué)者在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法的研究中取得了較大進(jìn)步，但還是出現(xiàn)一些問題，譬如:更加精確的測(cè)距方法、在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)定位過程中存在的誤差累積問題、對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位算法的研究等?，F(xiàn)有的定位算法大都在能耗、成本和精度等方面做了折中考慮，由于各種應(yīng)用差別的存在，適用于各種場(chǎng)所的定位算法也就成為空談，因此要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的規(guī)模、成本以及系統(tǒng)對(duì)定位精度的要求等多方面的考慮，來選擇最適當(dāng)?shù)亩ㄎ凰惴āＤ壳按嬖趦煞NZigBee定位解決方案。(l)基于CC2431片上系統(tǒng)的單芯片定位方案CC2431在CC2430基礎(chǔ)之上增加了基于RSSI的硬件定位引擎，通過輸入環(huán)境信息以及參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，即可輸出未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，在典型應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)3-5m的精確定位。但由于其定位算法由硬件物理完成，導(dǎo)致基于CC2431的定位系統(tǒng)靈活性較差。(2)CC2430/(MCU+CC2420)+定位算法。利用CC2430實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，將定位方法嵌入芯片內(nèi)部或在上位機(jī)集中處理，其定位算法可以靈活選擇，本文就是使用CC243O芯片進(jìn)行定位實(shí)現(xiàn)的。1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其定位存在問題今天，世界正大踏步地從網(wǎng)絡(luò)時(shí)代向無線互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代邁進(jìn)。新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth等在辦公室、家庭、工廠等各方面都得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)投資銀行Rutberg公司、國際數(shù)據(jù)公司和無線數(shù)據(jù)研究集團(tuán)等的預(yù)測(cè)，無線網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)將在未來的3年內(nèi)達(dá)到幾百億甚至上千億美元的營業(yè)收入，而無線定位技術(shù)的應(yīng)用將占有其中超出上百億美元的份額。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在為世界經(jīng)濟(jì)帶來巨額財(cái)富的同時(shí)，也為無線定位技術(shù)的發(fā)展注入了新的活力。無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，在這些技術(shù)當(dāng)中，雖然Bluetooth、UWB等都取得了一定的成效，但ZigBee技術(shù)在功耗、成本上都有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越性，并逐漸嶄露頭角，顯示其雄厚的發(fā)展?jié)摿?，因此，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在未來無線定位方面具有良好的發(fā)展前景近10年來，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身定位的研究登上了一個(gè)新的臺(tái)階，取得了一些可喜的研究成果，特別是進(jìn)入21世紀(jì)后，提出了許多新穎的定位思想和方案，并解決了一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身定位問題。但是，每一種系統(tǒng)和定位方法都是針對(duì)不同問題所產(chǎn)生的，之間的交集較少，還需要我們不斷努力去探索。總的來說，如今的無線定位技術(shù)仍存在下列一些問題:(l)缺乏比較精確的測(cè)距方法。(2)定位的實(shí)時(shí)性較低。(3)存在誤差現(xiàn)象，在大規(guī)模定位節(jié)點(diǎn)較多的情況下，誤差將被放大。(4)傳感器節(jié)點(diǎn)受距離、能量的限制，需要在算法復(fù)雜度與能量耗費(fèi)之間尋求一種合理的折中算法。(5)現(xiàn)今的定位研究大都是基于靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的研究，對(duì)于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位研究較少。(6)目前的定位方法一般是基于二維平面的研究，應(yīng)深入到三維或多維空間方向。1.3設(shè)計(jì)思路及目標(biāo)本論文對(duì)比國內(nèi)外室內(nèi)定位跟蹤系統(tǒng)，對(duì)IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的室內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)定位進(jìn)行研究，提出基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。課題研究希望所設(shè)計(jì)的室內(nèi)定位系統(tǒng)具有下面幾個(gè)方面的特點(diǎn)：(1)較高的定位精度：針對(duì)通常情況下對(duì)室內(nèi)人員或者物品定位所需要的精度要求，本系統(tǒng)的定位精度設(shè)計(jì)預(yù)期達(dá)到1.5m左右。(2)較低的系統(tǒng)成本：設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)的總成本希望普通個(gè)人用戶都有能力使用該系統(tǒng)。(3)實(shí)時(shí)性方面：設(shè)計(jì)的定位系統(tǒng)能夠滿足目標(biāo)在室內(nèi)不停移動(dòng)（諸如人員走動(dòng)、汽車緩慢駛?cè)腭偝鲕噹欤┣闆r下的實(shí)時(shí)性要求。(4)較低的系統(tǒng)功耗：系統(tǒng)采用電池供電情況下預(yù)期可以工作半年以上2設(shè)計(jì)方案論證GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。然而在室內(nèi)、地下等場(chǎng)合的定位需求卻有其局限性。近幾年來，隨著IEEE802．15．4商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的逐漸完善，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的相關(guān)技術(shù)開始被廣泛討論和研究。隨著，TI公司提出帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案CC2430/CC2431。以及WSN用于無線定位技術(shù)被廣泛研究，該器件能滿足低功耗ZigBee／IEEE802．15．4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要，CC2431的定位引擎基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)技術(shù)，相比于集中型定位系統(tǒng)，RSSI功能降低網(wǎng)絡(luò)流量與通信延遲，在典型應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)3～5m的定位精度和0.25m的分辨率。本設(shè)計(jì)基于RSSI定位技術(shù)，詳細(xì)介紹基于ZigBee技術(shù)的射頻芯片CC2430/CC2431無線定位系統(tǒng)的構(gòu)成、定位原理，并實(shí)現(xiàn)了基于CC2430/CC2431無線定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(1)芯片選擇

CC2430/CC2431以強(qiáng)大的IAR集成開發(fā)環(huán)境為支持，結(jié)合ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計(jì)，展示領(lǐng)先的ZigBee解決方案，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時(shí)也適用于ZigBee之外的2．4GHz頻率的其他設(shè)備。CC2431的定位引擎基于RSSI技術(shù)．根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度與已知參考節(jié)點(diǎn)位置準(zhǔn)確計(jì)算出有關(guān)節(jié)點(diǎn)位置。然后將位置信息發(fā)送至接收端。(2)RSSI定位技術(shù)

RSSI是指節(jié)點(diǎn)接收到的無線信號(hào)強(qiáng)度大小。在基于RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗。利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離．再利用合適的算法（如：三角定位法等）計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。該技術(shù)硬件要求較低、算法相對(duì)簡(jiǎn)單，并且一些通信協(xié)議中已攜帶有RSSI的信息，這樣使得基于RSSI定位方法具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。該技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中表現(xiàn)出良好特性，但由于環(huán)境因素變化等原因．實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步改進(jìn)。(3)基于CC2430/CC2431的定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)確知自身的位置并可將其位置通過發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他參考節(jié)點(diǎn)。定位節(jié)點(diǎn)從參考節(jié)點(diǎn)處接收數(shù)據(jù)包信號(hào)，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值并將其送入定位引擎，然后讀出由定位引擎計(jì)算得到的自身位置。

由參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包至少包含參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)參數(shù)水平位置X和垂直位置Y。而RSSI值可由接收節(jié)點(diǎn)計(jì)算獲得。圖2-1為具體定位系統(tǒng)原理框圖。主機(jī)主機(jī)網(wǎng)關(guān)室內(nèi)區(qū)域移動(dòng)節(jié)點(diǎn)參考節(jié)點(diǎn)圖2-1定位系統(tǒng)原理框圖Figure2-1DiagramofPositioningSystemBlock該定位系統(tǒng)原理框圖中各部分的作用如下(1)主機(jī)。采用一臺(tái)普通的PC，主機(jī)連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作調(diào)度，編寫的定位軟件可實(shí)時(shí)觀察各個(gè)定位節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況。

(2)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)用于組建一個(gè)ZigBeeWSN網(wǎng)絡(luò)，并充當(dāng)協(xié)調(diào)器，把定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及外部環(huán)境參數(shù)傳送給主機(jī)。

(3)參考節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色。而且在定位系統(tǒng)中，它由用戶指定固定坐標(biāo)，并為定位節(jié)點(diǎn)提供該坐標(biāo)和RSSI平均值。參考節(jié)點(diǎn)(referencenode)是一種已知靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)(x，y)是固定的，并且不參與定位計(jì)算，可由CC2430或CC2431器件實(shí)現(xiàn)。一個(gè)定位區(qū)域通常由8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成。系統(tǒng)至少需要3～4個(gè)參考節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行定位。本文采用CC2430作為參考節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。

(4)定位節(jié)點(diǎn)。其內(nèi)部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的同定坐標(biāo)和RSSI平均值計(jì)算出自身的精確位置(坐標(biāo))，并把該坐標(biāo)協(xié)同定位節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。本文中核心器件采用CC2431實(shí)現(xiàn)。定位工作流程

定位節(jié)點(diǎn)(blindnode)是一類可移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，可在參考節(jié)點(diǎn)包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng)。定位節(jié)點(diǎn)接收區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值后，通過定位算法來計(jì)算其坐標(biāo)位置。定位節(jié)點(diǎn)由CC2431器件實(shí)現(xiàn)。采用該器件，可實(shí)現(xiàn)0.25m的定位分辨率和3m左右的定位精度，定位時(shí)間小于40μs。圖2-2為定位節(jié)點(diǎn)工作流程圖，圖2-3是參考節(jié)點(diǎn)工作流程圖。開始收到數(shù)據(jù)？XY—RSSI請(qǐng)求？開始收到數(shù)據(jù)？XY—RSSI請(qǐng)求？定為節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)請(qǐng)求？定為節(jié)點(diǎn)配置？定為節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求配置？接受RSSI應(yīng)答？強(qiáng)制位置發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制位置發(fā)現(xiàn)將配置信息寫入Flash取出配置值發(fā)送給協(xié)調(diào)器接收RSSI平均值結(jié)束YYYYYYNNNNNNFigure2-2Theworkflowofpositioningnodes開始開始收到數(shù)據(jù)？XY-RSSI請(qǐng)求？參考節(jié)點(diǎn)配置？參考節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求配置？收集RSSI？結(jié)束發(fā)送RSSI平均值將配置信息寫入Flash取出配置值發(fā)送給協(xié)調(diào)器多次收集RSSIYYYYYYNNNNN圖2-3參考節(jié)點(diǎn)工作流程Figure2-3TheWorkflowofreferencenodes3ZigBee技術(shù)及協(xié)議棧概述3.1ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介3.1.1ZigBee發(fā)展概述近十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了多種新的短距離無線通信技術(shù)。為了滿足對(duì)低功率、低價(jià)格無線網(wǎng)絡(luò)的需求，2000年12月，IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)正式批準(zhǔn)成立了802.15.4工作組，其目標(biāo)是:在廉價(jià)的、固定或便攜的、移動(dòng)的裝置中，提出一個(gè)具有超低復(fù)雜度、超低價(jià)格、超低功耗、超低數(shù)據(jù)傳輸率的無線接入標(biāo)準(zhǔn)。也就是要開發(fā)一種低速率的WPAN(LR-WPAN,Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)。2002年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦等公司共同宣布組成ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，共同研究開發(fā)ZigBee技術(shù)。2003年11月，IEEE正式發(fā)布了該項(xiàng)技術(shù)的物理層和MAC層所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即IEEESOZ.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，作為ZigBee技術(shù)物理層和媒體接入層的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議.2004年12月，ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上，正式發(fā)布了完整的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。2006年IEEE發(fā)布了IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)修訂版。3.1.2ZigBee技術(shù)特點(diǎn)IEEE802.15.4委員會(huì)制定了三種不同的WPAN(WirelessPersonalAreaNetwork)標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)別在于通信速率、QOS能力等。802.15.1標(biāo)準(zhǔn)即藍(lán)牙技術(shù)，具有中等速率，適合于從蜂窩電話到PDA的通信，其QOS機(jī)制適合于話音業(yè)務(wù)。802.15.3標(biāo)準(zhǔn)是高速率的WPAN標(biāo)準(zhǔn)，適合于多媒體應(yīng)用，有較高的QoS保證。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)也就是ZigBee技術(shù)，目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用，對(duì)數(shù)據(jù)速率和QOS的要求不高[3]。ZigBee的主要技術(shù)特征如表3-1所示。表3-1ZigBee的主要技術(shù)指標(biāo)Table3-1ThemajortechnicalindicatorsofZigBee特性取值/狀態(tài)頻段數(shù)據(jù)速率調(diào)制方式擴(kuò)頻方式通信范圍通信延時(shí)信道數(shù)目尋址方式信道接入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔臓顟B(tài)模式868/915MHz和2.4GHz868MHz-20kbps；915MHz-42kbps；2.4GHz-250kbpsBPSK；O-QPSK直接序列擴(kuò)頻10-100m15-30ms868MHz-1；915MHz-10；2.4GHz-1664bitIEEE地址，16bit網(wǎng)絡(luò)地址CSMA/CA和時(shí)隙化得CSMA/CA星形；樹狀；網(wǎng)狀極低激活/休眠選擇ZigBee技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，是基于其具有的諸多性能優(yōu)點(diǎn)。具體來講，可總結(jié)如下：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee技術(shù)的最大傳輸速率只有250kbPs，專注于低速率傳輸應(yīng)用。(2)設(shè)備省電，功耗極低。zigBee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。(3)通信可靠性高，數(shù)據(jù)安全。ZigBee采用了CSMA-CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)的避免碰撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突;MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，因此通信可靠性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)協(xié)議棧的各層可以靈活確定其安全屬性。(4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其它節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，構(gòu)成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。(5)時(shí)延短，設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)快。通常時(shí)延都在1sms到3Oms之間，因此設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳送的延時(shí)時(shí)間很短，適合實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用。(6)成本低廉，工作頻段靈活。設(shè)備的復(fù)雜程度低，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的，可以有效地降低設(shè)備成本。ZigBee的工作頻段靈活，使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及9l5MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。(7)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，也就是說每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可以與數(shù)萬節(jié)點(diǎn)相連接，可以說網(wǎng)絡(luò)容量極其龐大，尤其適用大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3.2ZigBee協(xié)議棧概述ZigBee技術(shù)作為一種新興的低速率短距離無線通信技術(shù)，也是ZigBee聯(lián)盟所主導(dǎo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee協(xié)議棧有物理層、MAC子層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚子層和高層應(yīng)用規(guī)范層組成。每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體則都通過服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所有功能[4]。ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)如圖3-1所示：其中，IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了底層:物理層（PhysicalLayer，PHY）和MAC層。IEEE802.15.4定義的PHY層分別工作在兩個(gè)頻段上:868/9l5MHz和2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段，高頻段則全球通用。IEEE802.15.4MAC層采用CSMA-CA機(jī)制來控制信道接入，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（Network，Layer，NWK)，應(yīng)用層(ApplicationLayer，APL)架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)層的主要職責(zé)包括提供設(shè)備用來加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，提供數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)陌踩珯C(jī)制和路由機(jī)制。另外，發(fā)現(xiàn)并保持設(shè)備間的路由，發(fā)現(xiàn)一跳鄰居并存儲(chǔ)潛在鄰居信息也是有NWK層完成的。ZigBee協(xié)調(diào)器的NWK層還必須負(fù)責(zé)啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，給新的關(guān)聯(lián)設(shè)備分配地址等工作。應(yīng)用匯聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括:安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層(APS)，ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層(APS)負(fù)責(zé)維護(hù)設(shè)備綁定表，以及傳輸在綁定的設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)。設(shè)備綁定表用于根據(jù)設(shè)備間提供的服務(wù)和需求來匹配設(shè)備并儲(chǔ)存相關(guān)設(shè)備信息。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(如ZigBee協(xié)調(diào)器或中斷設(shè)備)，提出或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)還要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)及判定對(duì)方提供服務(wù)類別。應(yīng)用1應(yīng)用1應(yīng)用1應(yīng)用匯聚層網(wǎng)路層IEEE802.2邏輯鏈路類型(LLC)業(yè)務(wù)特定匯聚子層(SSCS)其他邏輯鏈路控制標(biāo)準(zhǔn)媒體訪問層868/915MHz物理層868/915MHz物理層ZigBee聯(lián)盟IEEE802.15.4……圖3-1ZigBee協(xié)議體系架構(gòu)Figure3-1ThearchitectureofZigBeeprotocol3.3ZigBee網(wǎng)路構(gòu)成3.3.1設(shè)備類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持IEEE802.15.4定義的兩種類型的物理設(shè)備:全功能設(shè)備(FFD)精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD和RFD的不同是按照節(jié)點(diǎn)的功能區(qū)分的，一個(gè)FFD可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，因此一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該至少含有一個(gè)FFD。RFD只能與主設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只能作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，將兩種物理設(shè)備定義成了三種邏輯設(shè)備類型:協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)路由器和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器:這個(gè)設(shè)備“開啟”一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。它是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(PANID)并開啟網(wǎng)絡(luò)?？蛇x擇地，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)也能被用來設(shè)置網(wǎng)絡(luò)中的安全性和應(yīng)用水平的綁定。協(xié)調(diào)器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。一旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了(甚至可以斷開)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。路由器:路由器執(zhí)行的功能有1)允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò);2)多跳路由;3)輔助它的電池供電的子終端設(shè)備通信。一般來說，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通常是由固定電源供電的節(jié)點(diǎn)被喚醒并請(qǐng)求數(shù)據(jù)而不能使用電池供電。路由器為它的子節(jié)點(diǎn)緩存信息，直到子當(dāng)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)信息的時(shí)候，這個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到它的父路由器。然后，路由器負(fù)責(zé)傳輸信息，執(zhí)行所有相關(guān)的重發(fā)，以及如果需要的話，等待確認(rèn)。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。終端設(shè)備:終端設(shè)備對(duì)維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的責(zé)任，因此，它可以有選擇的休眠和喚醒。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因此終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長時(shí)間。在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請(qǐng)求，包括入網(wǎng)、退出網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能，一般情況下，使用永久性電源;若終端節(jié)點(diǎn)在大部分的時(shí)間里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。若對(duì)電池供電沒有要求，網(wǎng)絡(luò)中可以全部采用FFD設(shè)備。3.3.2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式，星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3.7所示。如圖3-2(a)所示，星型網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié)點(diǎn)傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個(gè)模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其他模塊可以配置成終端節(jié)點(diǎn)。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，這種簡(jiǎn)單帶來的是很少有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。中心節(jié)點(diǎn)需要承擔(dān)更多的管理工作。由于把每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)，這必然會(huì)限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓?fù)浜茈y實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。集中的信息涌向中心節(jié)點(diǎn)，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓?fù)涫亲畛Ｒ姷木W(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制中。樹狀拓?fù)涫嵌鄠€(gè)星形拓?fù)涞募希鐖D3-2中的(b)所示。若干個(gè)星形拓?fù)溥B接在一起，擴(kuò)展到更廣闊的區(qū)域。樹形拓?fù)涫强梢詫?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹形拓?fù)渥钪档米⒁獾牡胤骄褪撬３至诵切瓮負(fù)涞暮?jiǎn)單性:較少的上層路由信息、較低的存儲(chǔ)器需求。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動(dòng)態(tài)環(huán)境。從圖中可以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或故障將會(huì)使部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。樹形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好的用在一些簡(jiǎn)單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。如圖3-2(c)中所示，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)?，具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能力。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一個(gè)固定的路由模式。這樣信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。(a)星型(a)星型(c)網(wǎng)狀(b)樹狀協(xié)調(diào)器FFDRFD圖3-2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure3-2Topology3.4基于RSSI的定位算法分析ZigBee定位技術(shù)基于無線局域網(wǎng)絡(luò)，在特定的無線局域網(wǎng)絡(luò)中，先安裝一些已知位置信息的參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過無線通信得到已知節(jié)點(diǎn)的信息(時(shí)間或信號(hào)強(qiáng)度值)，并結(jié)合定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。3.4.1距離計(jì)算方法常用的基于距離((Range-Based)的定位方法有四種，分別為基于接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator)方法、基于到達(dá)時(shí)TOA(TimeofArrival)、基于到達(dá)時(shí)間差TDOA(TimeDifferenceofArrival)和基于到達(dá)角度AOA(AngleofArrival)，通過此四種方法可以測(cè)得移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)距離。(1)基于RSSI的測(cè)距方法在基于接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)的定位中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度是已知的，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘呃碚搶SSI的傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離。RADAR系統(tǒng)就是一個(gè)基于RSSI技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)。RSSI的主要優(yōu)勢(shì)在于通信負(fù)載較低而且不需要增加額外的硬件設(shè)備。但在實(shí)際的環(huán)境中，RSSI受外界影響較大，它的誤差主要來源于外界環(huán)境，反射、多徑傳播、天線增益等問題都會(huì)造成不同的傳播損耗，造成測(cè)距誤差，因此定位精度往往不是很理想，所以該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在許多問題[5]。(2)TOA測(cè)距方法在TOA定位方法中，已知信號(hào)的傳播速度，根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送信號(hào)到定位節(jié)點(diǎn)所需的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離。該方法精度較高，但對(duì)發(fā)送者到接收者的響應(yīng)時(shí)間和處理時(shí)延要求較高，要求保持節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步，目前，GPS定位系統(tǒng)使用此方法。但由于硬件設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格高和功耗大等方面，使得TOA方法很少應(yīng)用在室內(nèi)定位方面。(3)TDOA距方法在TDOA定位方法中，發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射超聲波和無線電射頻信號(hào)兩種不同傳播速率的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到兩種信號(hào)的時(shí)間差以及這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算出發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離。Cricket系統(tǒng)和AHLOS系統(tǒng)就是利用TDOA方法進(jìn)行定位。該方法的測(cè)量精度高于RSSI，可達(dá)到厘米級(jí)，但超聲波的傳播距離有限(超聲波信號(hào)通常傳播距離僅為20-30英尺)，另外此方法的開銷又比較大，不適合低功耗的室內(nèi)定位。(4)AOA測(cè)距方法在AOA定位方法中，接收節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或多個(gè)超聲波接收機(jī)感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度，再通過三角測(cè)量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置?？偟膩碚f，基于TOA和TDOA技術(shù)的定位系統(tǒng)依賴于發(fā)射器和接收器之間的精確定時(shí)同步，因此對(duì)系統(tǒng)硬件的要求會(huì)比較高，進(jìn)而大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，而基于AOA技術(shù)的定位系統(tǒng)需要額外增加定向天線或者天線陣列，同樣也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本，而且AOA技術(shù)也易受外界環(huán)境的影響。基于RSSI技術(shù)方法的最大優(yōu)點(diǎn)就是我們能夠充分利用現(xiàn)有的系統(tǒng)，基本不需要輔助設(shè)備就可以建立定位系統(tǒng)，因此獲得RSSI信息要比獲得到達(dá)時(shí)間((TOA)和到達(dá)角度((AOA)遠(yuǎn)遠(yuǎn)容易。本文定位是由定位引擎硬件設(shè)備完成，原理是基于RSSI的測(cè)距定位。3.4.2節(jié)點(diǎn)定位基本原理在三維空間中，知道了1個(gè)點(diǎn)到4個(gè)已知參考點(diǎn)的距離，就可以確定該點(diǎn)的坐標(biāo)，這一點(diǎn)與全球定位系統(tǒng)(GPS)的基本原理一樣。只不過在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，坐標(biāo)系是二維空間也不需要時(shí)鐘同步，因此，只要知道了1個(gè)節(jié)點(diǎn)到3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離就可以確定節(jié)點(diǎn)的位置。假設(shè)3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(，)、（，)、()，待定位節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)是(，)，該節(jié)點(diǎn)到3個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的距離分別是、、，根據(jù)二維空間距離計(jì)算公式，可以獲得方程組3.1。(3.1)上面的公式中，、是未知量，這是非線性方程組，可以采用線性化方法來求解。如果近似知道節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置，可以將其真實(shí)位置(，)和近似位置(,)之間的偏離用位移(，)來標(biāo)記。將公式3.1按泰勒級(jí)數(shù)繞近似位置展開，那么便可將位置偏移(，)表示為已知坐標(biāo)和距離測(cè)量值的線性函數(shù)。單一測(cè)量距離可表示為:(3.2)單一近似距離可表示為:(3.3)如上所述，節(jié)點(diǎn)的真實(shí)位置由近似分量和增量2個(gè)部分組成，即(3.4)因此，有上式右邊函數(shù)用泰勒級(jí)數(shù)展開成(3.5)為消除非線性，上述展開式中截去了1階偏導(dǎo)數(shù)之后的各項(xiàng)。偏導(dǎo)數(shù)經(jīng)計(jì)算如下:(3.6)式中：。將式3.5式3.6、式3.3帶入式3.2可以得到：（3.7）這樣就完成了對(duì)式3.2相對(duì)于未知數(shù)的線性化。上式可寫成：（3.8）當(dāng)N>3時(shí)，上面就是過定義方程組。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的距離測(cè)量由于存在距離誤差，正好可以利用這樣的冗余獲得更高的精確度。上述過定義方程組可以使用最小二乘法來求解，具體步驟如下:（3.9）為了求得函數(shù)取得最小值時(shí)的、，對(duì)函數(shù)求導(dǎo)并令之等于0，即：（3.10）由此可以得到：（3.11）使用式3.11，就可以求出估計(jì)節(jié)點(diǎn)位置與實(shí)際位置的大概偏差，如果精度不滿足要求，可以將矯正后的坐標(biāo)代替估計(jì)坐標(biāo)，進(jìn)行進(jìn)一步的矯正，直到()小于規(guī)定的門限值為止。4基于ZigBee無線定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1定位系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)、定為節(jié)點(diǎn)組成。其中網(wǎng)關(guān)部分在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的角色為Coord，芯片選擇為CC2430[6]。它在整個(gè)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用，首先它接收由監(jiān)控軟件提供的各參考點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，其次，還要接收各節(jié)點(diǎn)反饋的有效數(shù)據(jù)并傳輸給監(jiān)控軟件。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)靜止的知道自己位置的節(jié)點(diǎn)（CC2430）.這個(gè)節(jié)點(diǎn)必須正確的配置在定位區(qū)域中的位置。它的任務(wù)是提供一個(gè)包含自己位置X，Y坐標(biāo)和RSSI值的信息包給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，數(shù)量至少為4個(gè)。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)能夠與離自己最近的參考節(jié)點(diǎn)通話，收集這些節(jié)點(diǎn)的X,Y坐標(biāo)和RSSI值，根據(jù)這些信息和輸入?yún)?shù)（A，N）一起計(jì)算自己位置信息[7]。然后將適當(dāng)?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)與計(jì)算機(jī)形成另一個(gè)直觀的系統(tǒng)，芯片選擇 CC2431?；谝陨险w思想，設(shè)計(jì)如下定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)。4.1.1硬件總體規(guī)劃定位節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)框架如圖4-1所示。硬件電路設(shè)計(jì)包括兩部分:無線通信模塊設(shè)計(jì)和輔助功能模塊設(shè)計(jì)。無線通信模塊為節(jié)點(diǎn)間的無線數(shù)據(jù)收發(fā)接口，它是節(jié)點(diǎn)核心部分。輔助功能模塊完成定位狀態(tài)指示、供電、串口通信等輔助功能，它通過RS232串口轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸[8]。為了降低開發(fā)成本，硬件平臺(tái)沒有按節(jié)點(diǎn)功能分別單獨(dú)設(shè)計(jì)，而是將所有功能放在了一個(gè)平臺(tái)上。根據(jù)節(jié)點(diǎn)實(shí)際功能要求，只需焊接所需器件即可。PC機(jī)PC機(jī)串口接口串口轉(zhuǎn)換供電電路指示電路MCU模塊RF模塊匹配電路無線通信模塊輔助功能模塊PC端圖4-1硬件組成框圖Figure4-1Hardwareblockdiagram4.1.2主控芯片CC2430/CC2431本設(shè)計(jì)選用了CC2430/2431.CC2430/2431產(chǎn)品家族是第一個(gè)真正意義上的SoCZigBee產(chǎn)品，所有的功能都集成在一個(gè)硅片內(nèi)[9]。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆增強(qiáng)型的8051控制器，支持250Kbps數(shù)據(jù)傳輸率，能實(shí)現(xiàn)多對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，只需極少的外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗較低，可以保證有效的通信距離及可靠性，且CC2430/2431芯片較小,為7mmX7mm，鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選用此芯片。CC2430/2431SoC家族包括3個(gè)不同產(chǎn)品:CC2430-F32,CC2430-F64和CC2430-F128，本文設(shè)計(jì)所用的是CC2430-F128,他們的區(qū)別在于內(nèi)置閃存的容量不同。CC2430和CC2431的最大區(qū)別在于，CC2431具有包括Motorola公司有許可證的定位引擎硬件核心，2430沒有定位跟蹤引擎，除此之外，它們的外觀和功能完全一樣。CC2430/2431整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8位增強(qiáng)型MCU(8051)，具有32/64/128KB可編程閃存和8KB的RAM，還包含4個(gè)定時(shí)器、1個(gè)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、AES128協(xié)同處理器、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I/O口引腳。其主要特點(diǎn)如下:(1)集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī);(2)高性能低功耗的增強(qiáng)型8051微控制器核;(3)有兩的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性;(4)硬件支持CSMA/CA功能;(5)較寬的電壓范圍(2.0-3.6V);(6)集成了14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC;(7)帶有2個(gè)USART，以及4個(gè)計(jì)時(shí)器，其中一個(gè)是16位符合IEEE802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器、1個(gè)16位常規(guī)計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器;(8)在休眠模式時(shí)僅0.5瞇的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)，在待機(jī)模式時(shí)少于0.3uA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng);(9)集成了AES安全協(xié)處理器;(10)數(shù)字化RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能;(11)集成電池檢測(cè)和溫度感測(cè)功能;(12)兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的硬件層和物理層;(13)集成1個(gè)高精度定位跟蹤引擎(此項(xiàng)為CC2431獨(dú)有的特點(diǎn))。CC2430/2431集成的外設(shè)有:無線收發(fā)、電源管理、可編程看門狗、21個(gè)數(shù)字I/o引腳、4個(gè)計(jì)時(shí)器、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC、帶有2個(gè)USART、集成了AES安全協(xié)處理器、強(qiáng)大的DMA功能、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、上電復(fù)位。CC2430/2431沒有接地的管腳，為了方便制版，在CC2430加了一個(gè)49號(hào)管腳，用于接地，CC2430/2431整體設(shè)計(jì)電路見附錄1。電路使用一個(gè)非平衡天線，它可以使天線性能變得更加可靠[10]。電路中的非平衡變壓器由電容C12和電感L1、L2、L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內(nèi)部的發(fā)射/接收交換電路完成LNA和PA之間的半雙工交換。用1個(gè)32MHz的石英諧振器和2個(gè)電容構(gòu)成一個(gè)32MHz的晶振電路。R4和R5為偏置電阻，電阻R4主要為32MHz的晶振限流。C11和C15電容是去耦合電容，用來電源濾波，以此來提高芯片工作的穩(wěn)定性。4.1.3功能模塊的設(shè)計(jì)(1)供電電路設(shè)計(jì)根據(jù)ZigBee多種節(jié)點(diǎn)用電特點(diǎn)，供電電路設(shè)計(jì)了兩種方式，電池供電和直流(DC)電源模塊供電，使用單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)兩種供電方式間的切換。其中，直流(DC)電源模塊為SV供電，使用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117-3.3獲得3.3V電壓，該芯片能夠提供高達(dá)5OOmA的電流輸出，電路簡(jiǎn)單，僅需要兩個(gè)10uF的擔(dān)電容即可輸出3.3V的恒定電壓。電池供電方式采用2節(jié)AA電池供電。供電電路如圖4-2所示。圖4-2供電電路Figure4-2Circuitofpower(2)串口轉(zhuǎn)換電路串口轉(zhuǎn)換電路采用美信公司的MAX3232雙通道轉(zhuǎn)換芯片，工作電壓范圍為3V-5.5V，該電路主要用于協(xié)調(diào)器與PC之間的串口電壓轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)換電路如圖4-3所示。圖4-3串口轉(zhuǎn)換電路Figure4-3UARTtransitioncircuit(3)狀態(tài)指示電路加蜂鳴器、指示燈等器件用于定位節(jié)點(diǎn)狀態(tài)指示。狀態(tài)指示電路如圖4-4所示。圖4-4狀態(tài)指示電路Figure4-4Stateindicationcircuit除了上面介紹的幾種功能電路外，還包括狀態(tài)指示電路、復(fù)位電路、按鍵電路和JTAG下載電路等。4.2定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.2.1軟件開發(fā)平臺(tái)IAREmbeddedWorkbench(簡(jiǎn)稱EW)是一套完整的集成開發(fā)工具集合，包括代碼編輯器、工程建立、C/C++編譯器、匯編器、連接定位器、庫管理員、連接器和調(diào)試器的各類開發(fā)工具。它可以和各種仿真器、調(diào)試器緊密結(jié)合，便于用戶在開發(fā)和調(diào)試過程中，僅使用一種開發(fā)環(huán)境界面，就可以完成多種微控制器的開發(fā)工作。IAR7.20H開發(fā)環(huán)境的特點(diǎn):(1)完全兼容標(biāo)準(zhǔn)C;(2)支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置、單步調(diào)試、在線調(diào)試;(3)版本控制和擴(kuò)展工具支持良好;(4)內(nèi)存模式選擇;(5)高效浮點(diǎn)支持;(6)瓶頸性能分析;(7)工程中相對(duì)路徑支持。設(shè)計(jì)中所用的軟件協(xié)議棧為TI公司免費(fèi)提供的ZStack-1.4.2-1.1.0，整個(gè)協(xié)議棧包括如下部分，它們各自代表的含義如表4-1所示:表4-1協(xié)議棧各層的軟件Table4-1Layersofsoftwareprotocolstack軟件協(xié)議層功能介紹APPHALMACMTNWKOSALProfileSecurityServicesToolsZDOZMacZMainOutput應(yīng)用層，用戶在此創(chuàng)建各種不同的工程，添加自己想要實(shí)現(xiàn)的功能硬件驅(qū)動(dòng)層，主要初始化一些硬件配置及操作函數(shù)MAC層，包括MAC層配置參數(shù)文件及MACLIB庫的函數(shù)接口文件任務(wù)測(cè)試，包括AF層的調(diào)試函數(shù)文件，主要包括串口等通信函數(shù)網(wǎng)絡(luò)層，包括網(wǎng)絡(luò)層配置參數(shù)文件及MACLIB庫的函數(shù)接口文件，用來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的織成操作層，包括協(xié)議棧系統(tǒng)文檔AF層目錄，包括AF層處理函數(shù)文件安全層，包括一些加密函數(shù)等服務(wù)層，包括地址模式的定義以及地址處理函數(shù)文檔工程配置目錄，包括協(xié)議棧等配置文檔設(shè)備對(duì)象層，包括層處理函數(shù)文檔MAC層目錄，包括MAC層參數(shù)配置及MACLIB庫函數(shù)回調(diào)處理函數(shù)主函數(shù)目錄，包括入口函數(shù)集硬件配置文件輸出文件目錄，此為軟件自動(dòng)生成的4.2.2定位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位的基本思想是盲節(jié)點(diǎn)將周圍所有的一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)返回到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將信號(hào)強(qiáng)度值傳送到上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件，上位機(jī)軟件調(diào)用相應(yīng)的定位算法，計(jì)算出盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置并實(shí)現(xiàn)必要的顯示[11]。因此，首先需要在硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信，可分為如下五步進(jìn)行(數(shù)據(jù)量類型有定位算法決定)。圖5-6為傳感器網(wǎng)絡(luò)定位通信流程圖(l)主節(jié)點(diǎn)查詢未知節(jié)點(diǎn)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)成功建立網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)要查詢盲節(jié)點(diǎn)的位置信息，首先要給該節(jié)點(diǎn)發(fā)送定位請(qǐng)求信號(hào)，通信方式為廣播方式，保證所有的盲節(jié)點(diǎn)都可收到該查詢請(qǐng)求。(2)盲節(jié)點(diǎn)廣播RSSI值信號(hào)。盲節(jié)點(diǎn)接收到查詢請(qǐng)求命令后，廣播一系列(如300次)RSSI值，在數(shù)據(jù)包中設(shè)定跳數(shù)為l，從而保證只有在一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)才能接收到該數(shù)據(jù)包。(3)參考節(jié)點(diǎn)預(yù)處理RSSI值。一跳范圍內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)接收到RSSIBlast信號(hào)，記錄該盲節(jié)點(diǎn)的RSSI值，由于墻壁、行人等多種環(huán)境干擾源的存在，RSSI會(huì)出現(xiàn)一定幅度的擾動(dòng)，因此各參考節(jié)點(diǎn)可對(duì)接收到的RSSI進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理(如使用高斯概率模型處理),對(duì)預(yù)處理后的RSSI值作平均[12]。(4)盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI的數(shù)據(jù)包請(qǐng)求信號(hào)。接收到數(shù)據(jù)包請(qǐng)求命令信號(hào)后，參考節(jié)點(diǎn)將各種所需參量按一